溫度感測器是電子業應用最廣泛的感測器之一，應用範圍包括校正、安全性用途，以及暖通空調 (HVAC) 等。儘管應用廣泛，但溫度感測器及其本身的實作，可能會令設計人員很難以最低的成本達到最高的準確度。
溫度感測有許多種方法。最常見的方法是使用熱敏電阻、電阻溫度偵測器 (RTD)、熱電偶或矽溫度計等溫度感測器。但是，不是選對感測器就大功告成。感測器還必須連接至訊號鏈，而訊號鏈要維持訊號的完整性，並準確地補償特定感測技術的獨特特性，確保準確無誤地以數位方式呈現溫度。
本文將介紹一個 USB 供電式電路解決方案，有效協助完成這項任務。此方案使用負溫度係數 (NTC) 熱敏電阻，同時結合 Analog Devices 的 ADuC7023BCPZ62I-R7 精準類比微控制器，以準確地監測溫度。
NTC 熱敏電阻的特性
熱敏電阻是一種對熱很敏感的電阻，可分為兩種類型：正溫度係數 (PTC) 熱敏電阻和負溫度係數 (NTC) 熱敏電阻。多晶陶瓷 PTC 熱敏電阻的正溫度係數很高，通常用於切換式應用。而 NTC 陶瓷半導體熱敏電阻的負溫度係數很高，因此電阻會隨著溫度上升而下降，因此適合提供精準的溫度量測結果。
NTC 熱敏電阻有三種操作模式，包括電阻 - 溫度、電壓 - 電流，以及電流 - 時間。第一種模式利用熱敏電阻的電阻 - 溫度特性，能提供最精準的結果。
電阻 - 溫度電路將熱敏電阻設定於「零功率」狀態下。「零功率」狀態會假設元件的電流或電壓激磁，不會造成熱敏電阻自體發熱。
在典型的 NTC 熱敏電阻中，例如 Murata Electronics 的 NCP18XM472J03RB 4.7 kΩ 元件 (採用 0603 封裝)，電阻 - 溫度響應具有高度非線性 (圖 1)。
 圖 1：典型 NTC 熱敏電阻的電阻 - 溫度響應具有高度非線性，因此設計人員必須設法讓定義溫度範圍內的這種非線性得到控制。(圖片來源：Bonnie Baker；根據 Murata 的電阻值進行計算與繪製)
圖 1 展示 4.7 kΩ 熱敏電阻的高度非線性。NTC 熱敏電阻的電阻值會隨著溫度而下降，下降的速度是一個常數，稱為 ß (未顯示於圖中)。Murata 的 4.7 kΩ 熱敏電阻的 β 值為 3500。
熱敏電阻的非線性響應可以在軟體中進行修正，當中搭配高解析度類比數位轉換器 (ADC)，以及經驗性三階多項式或查找表。
不過，還能選擇一個更簡單、便宜且合用的硬體技術，只需將其應用於 ADC 之前，便能在 ±25°C 溫度範圍內控制住熱敏電阻的線性化問題。
硬體線性化解決方案
若要達到熱敏電阻輸出的第一階線性化，簡單的方式就是將熱敏電阻和標準電阻 (1%、金屬膜) 以及電壓來源進行串聯。串聯電阻值決定熱敏電阻電路線性區域的中位數。熱敏電阻的電阻值 (RTH) 和 Steinhart-Hart 方程式，則決定熱敏電阻的溫度 (圖 2)。據證實，Steinhart-Hart 方程式是判斷 NTC 熱敏電阻溫度最理想的數學表示式。
 圖 2：分壓器 (RTH 和 R25) 設定將熱敏電阻的響應線性化。ADC0 (ADC 輸入端) 的線性範圍，在大約 50°C 的溫度範圍內。(圖片來源：Bonnie Baker)
要得出熱敏電阻的實際電阻值 RTH，第一步是定義分壓器的輸出 (VADC0)。接著使用 VADC0 找出 ADC 的數位輸出十進位碼 DOUT，其中 DOUT 取決於 ADC 位元數 (N)、ADC 最大輸入電壓 (VREF)，以及 ADC 輸入電壓 (VADC0)。最後，將 R25 (或 25°C RTH 值) 乘以 ADC 代碼數和 ADC 數位輸出十進位碼的比值，就能找出電阻值 RTH。第三步計算程序使用下方的方程式 2 來進行。
最後一個計算步驟，是利用先前提到的 Steinhart-Hart 方程式，將熱敏電阻的電阻值轉換成凱氏溫度。ADuC7023 精準類比微控制器利用方程式 4 確定感測器溫度：
 方程式 4
說明：
T2 = 測量的熱敏電阻溫度 (K)
T1 = 298 K (25°C)
β = 熱敏電阻在 298 K 或 25°C 下的 β 參數。β = 3500
R25 = 熱敏電阻在 298 K 或 25°C 下的電阻值。R25 = 4.7 kΩ
RTH = 熱敏電阻在未知溫度下的電阻值，如方程式 3 所計算
圖 2 中，熱敏電阻在 25°C 時的電阻值 (RTH) 等於 4.7 kΩ。由於 R25 的值等於熱敏電阻在 25°C 時的電阻值，因此分壓器的線性區域集中於 25°C (圖 3)。
 圖 3：4.7 kΩ 熱敏電阻和 4.7 kΩ 標準電阻串聯的線性響應，分壓器上有 2.4 V 電壓。(圖片來源：Bonnie Baker；根據 Murata 的電阻值進行計算與繪製)
圖 3 中，串聯式熱敏電阻系統在大約 0°C 至 +50°C 的有限溫度範圍內，對溫度做出線性響應。在此範圍中，Delta 溫度誤差為 ±1°C。線性化電阻的值 (R25)，應該等於相關溫度範圍中點處對應的熱敏電阻值。
此電路通常在 ±25°C 溫度範圍內取得 12 位元精準度，而熱敏電阻的標稱溫度為 R25 的值。
USB 型溫度監測器
電路解決方案中的訊號路徑，最開始是低成本的 4.7 kΩ 熱敏電阻，接著使用 Analog Devices 的低成本 ADuC7023 微控制器。這款微控制器整合四個 12 位元的數位類比轉換器 (DAC)、一個多通道 12 位元連續漸近暫存器 (SAR) ADC、一個 1.2 V 內部參考電壓，以及 ARM7® 核心、126 KB 快閃記憶體、8 KB 靜態隨機存取記憶體 (SRAM) 和各種數位周邊裝置，例如 UART、計時器、SPI 和兩個 I2C 介面 (圖 4)。
 圖 4：溫度感測電路使用 USB 連線進行供電，並使用 ADuC7034 微控制器的 I2C 介面進行數位通訊。(圖片來源：Analog Devices)
圖 4 中，電路的電源和接地完全都來自於四線式 USB 介面。Analog Devices 的 ADP3333ARMZ-5-R7 低壓降線性穩壓器，使用 USB 5 V 電源來產生 3.3 V 輸出。ADP3333 穩壓輸出為 ADuC7023 的 DVDD 供應電壓。ADuC7023 的 AVDD 電源需要進行額外的濾波，如圖所示。此線性穩壓器在 USB 電源和 IN 引腳之間也有濾波器。
溫度資料也是透過 USB D+ 和 D- 介面引腳來交換。ADuC7023 能夠使用 I2C 協定來傳輸和接收資料。這個應用電路使用雙線式 I2C 介面，來傳輸資料和接收設定指令。
此應用使用以下 ADuC7023 特點：
- 12 位元 SAR ADC
- 搭配 SRAM 的 Arm ARM7TDMI。整合式 62 KB 快閃記憶體所執行的使用者代碼，會設定和控制 ADC、管理 USB 介面的通訊，並處理來自熱敏電阻感測器的 ADC 轉換作業。
- I2C 端子是接至主機 PC 的通訊介面。
- 兩個外部開關／按鈕 (未顯示) 可強制零件進入快閃啟動模式：透過保持 DOWNLOAD (下載) 低位準和切換 RESET (重置) 開關 (而不是一般使用者模式)，ADuC7023 將會進入啟動模式。在啟動模式中，利用 USB 介面連接元件的相關 I2CWSD 軟體工具，可重新對內部快閃記憶體進行編程。
- VREF 為帶差參考電壓。系統中其他的電路參考電壓也能使用此參考電壓。為了抑制雜訊，這些引腳連接最小 0.1 μF 的電容。
由於 ADuC7023 採用小尺寸 (5 mm × 5 mm) 的 32 腳位晶片尺寸封裝，因此整個電路在 PC 板上佔據非常小的面積，能節省成本及空間。
即使具有強大的 ARM7 核心和高速 SAR ADC，ADuC7023 仍提供低功率的解決方案。整個電路的功耗通常為 11 mA，ARM7 核心的執行頻率為 5 MHz，主要 ADC 用來測量外部熱敏電阻。在兩次溫度量測之間，可以關閉微控制器和／或 ADC，進一步節省功耗。
佈局考量事項
圖 4 中的訊號處理系統，其實內部大有文章。整體來看，此系統中只有三個主動元件。雖然看似簡單，但在佈局方面其實存在一些有趣的挑戰。
例如，ADuC7023 微控制器是十分複雜的類比和數位系統，需要對接地規則特別留意。此系統在類比域中也許看起來「速度很慢」，但其板載式追蹤保持 ADC 是速度很快的多通道元件，取樣速度達 1 MSPS，時脈速度最快則達到 41.78 MHz。在此系統中，時脈的起落時間只有幾 ns 而已。這些速度將此應用歸為高速應用。
很明顯，混合訊號電路需要獲得特別關注。以下四點式檢查清單涵括主要面向：
- 使用電解電容
- 選擇較小的電容
- 接地面考量事項
- 可選購小型鐵氧體磁珠
電路中通常使用 10 mF 至 100 mF 的大型電解電容，與晶片之間的距離不超過兩吋。這些電容充當成電荷庫，以因應經由電源引線電感產生的瞬間電荷需求。
電路中較小的電容 (一般介於 0.01 mF 至 0.1 mF)，擺放的位置會盡可能靠近元件的電源引腳。這些電容的目的是迅速將高頻雜訊傳送至地面。
解耦電容下方的接地面，會將高頻電流解耦，並將 EMI/RFI 的放射量減到最低。接地面應該要大，而且具有低阻抗值。為了將電感值降到最低，電容是藉由過孔或短式走線來連接至地面。
除了圖 4 的解耦電容外，需要使用鐵氧體來為 USB 纜線提供 EMI/RFI 防護。此電路中使用 Taiyo Yuden 的 BK2125HS102-T 作為鐵氧體磁珠，在 100 MHz 下的阻抗值為 1000 Ω。
結論
溫度感測器是應用最廣泛的感測器之一，但設計方面的需求持續激發設計人員降低成本和尺寸，同時提高感測準確度。本文將納入這些考量，針對低功率的 USB 型商用熱敏電阻系統提供實作說明。此系統結合 Analog Devices 的小型 12 位元 ADC，以及高精準度 ADuC7023 微控制器解決方案。這項組合成功利用電阻控制具有非線性行為的 NTC 熱敏電阻，以準確地感測和監測溫度。
NTC熱敏電阻阻值與溫度對照表
 | 
